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可控式單向CMD離合器簡析

2022-01-17 19:40:15·  來源：汽車動力總成  
　
單向離合器最早是在1869年為自行車設(shè)計的。隨著時間和技術(shù)的發(fā)展，單向離合器的使用越來越廣泛，小到割草機(jī)，大到直升飛機(jī)，都可以看到它的身影。單向離合器是一
單向離合器最早是在1869年為自行車設(shè)計的。隨著時間和技術(shù)的發(fā)展，單向離合器的使用越來越廣泛，小到割草機(jī)，大到直升飛機(jī)，都可以看到它的身影。
單向離合器是一種典型的機(jī)械元件：離合器的內(nèi)圈和外圈之間可以在一個特定的方向上相對轉(zhuǎn)動；在向另一個方向上，內(nèi)圈和外圈之間由于機(jī)械作用可以自動的接合在一起，并傳遞很高的扭矩。見圖1：
由于這種特點(diǎn)，單向離合器可以使用在很多特殊場合中，例如:
· 逆止器
· 超越離合器
· 定位離合器
和聯(lián)軸器，制動器不同的是，單向離合器不需要機(jī)械或液壓控制系統(tǒng)，可以使控制系統(tǒng)更加簡單。在傳統(tǒng)的Step AT自動變速箱中，常?？梢钥吹絾蜗螂x合器與制動器（與變速箱殼體連接的離合器）并聯(lián)在一起使用,見圖2。一般情況下，自動變速箱需要實(shí)現(xiàn)不同檔位下的動力傳動，需要接合兩個特地的離合器。但在一檔起步的情況下，由于單向離合器的使用，自動變速箱只需要先接合一個離合器接合，之后單向離合器在行星排的轉(zhuǎn)動趨勢作用下，會自動的接合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一檔起步的功能，因此，單向離合器在自動變速箱中也被稱之為起步離合器。同時，由于單向離合器在反方向上不能傳遞動力，因此在車輛滑行制動時，需要控制一個與單向離合器并聯(lián)的制動器接合，來實(shí)現(xiàn)動力從車輪經(jīng)由變速箱而到發(fā)動機(jī)的反向傳遞，來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)制動功能，這一點(diǎn)是單向離合器功能上的劣勢。


常見的單向離合器根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，可分為以下幾種形式，見圖3：
· 滾柱式(Roller type)
· 楔塊式(Sprag type)
· 止推片式(Diode type 或MD(mechanical diode) type，類似于棘輪，
也被稱之為楔片式離合器)
· 螺旋式單向離合器(Spiral type)，見圖4：




根據(jù)不同種類的單向離合器的優(yōu)缺點(diǎn)，其使用區(qū)域也有不同。其中止推片式單向離合器常見于美系自動變速箱上。最早的應(yīng)用是福特的4R70系列自動變速箱，后來在在Ford的5R110,CD4E，6L50，6F系列變速箱以及通用的GF6系列變速箱上都可以看到它的身影。在一些亞洲廠家的變速箱上也可以看到這類單向離合器的使用，例如馬自達(dá)。
止推片式單向離合器的結(jié)構(gòu)非常簡單，參考圖3中的剖視圖可以看到，通過使用一個由彈簧/彈片支撐的止推片，可以在一個方向上和離合器的內(nèi)圈與外圈鎖止在一起；當(dāng)反向轉(zhuǎn)動時，由于相對運(yùn)動的影響，止推片會被“推到”，而實(shí)現(xiàn)了反向的自由轉(zhuǎn)動。在這個過程中可以發(fā)現(xiàn)，止推片的動作是被動的。基于該結(jié)構(gòu)原理，通過增加一套機(jī)械控制系統(tǒng)，通過對止推片的主動控制，可以實(shí)現(xiàn)對離合器接合方向的主動控制，可以根據(jù)變速箱內(nèi)部元件接合/分離的要求來實(shí)現(xiàn)單向離合器不同工作模式的轉(zhuǎn)換。故將這種改進(jìn)設(shè)計稱之為可控式單向離合器，也可稱之為CMD(Controllable Mechanical Diode)。CMD離合器最早是由美國Means公司開發(fā)并投入使用的。根據(jù)具體要實(shí)現(xiàn)的模式，CMD離合器可分為以下幾類:
· 2路式單向離合器
· 2模式單向離合器
· 4路式單向離合器
· 4模式單向離合器
· 可選擇式單向離合器，簡稱為“SOWC”
CMD離合器不存在傳統(tǒng)多片式離合器的拖曳扭矩，故而可以提高變速箱的傳動效率，提高燃油效率 (1-2%)；由于集成度高，可以直接替代單向離合器加制動器的傳動組合，減少零件數(shù)量，充分利用變速箱內(nèi)部的狹小空間，降低制造成本。見圖5，左側(cè)黃色部分是原變速箱內(nèi)部單向離合器加制動器所需要的空間，右側(cè)綠色部分使用CMD離合器后所需要的空間。
CMD離合器可以給變速箱提供4種操作模式:
· 實(shí)現(xiàn)順時針方向的接合/扭矩傳遞
· 實(shí)現(xiàn)逆時針方向的接合/扭矩傳遞
· 實(shí)現(xiàn)元件在順/逆時針兩個方向上的接合
· 實(shí)現(xiàn)元件在順/逆時針兩個方向上的自由旋轉(zhuǎn)

一個典型的CMD離合器包括如下的組件，以圖6為例：
· 反向固定槽盤
· 正向固定槽盤
· 活動盤
· 方向選擇板
· 正向止推楔片組和反向止推楔片組
· 驅(qū)動桿
· 液壓或電動執(zhí)行器

驅(qū)動桿與選擇板直接相連，可以決定CMD離合器的工作模式。如圖7所示，當(dāng)驅(qū)動桿處于左圖關(guān)閉位置時，選擇板將反向楔片組壓入到其下部，使反向楔片組無法由于彈簧的作用而抬起，進(jìn)而失去了控制離合器內(nèi)外圈反方向接合的功能。由于僅剩下一組正向楔片組可以正常工作，此時的CMD離合器和普通的楔片式單向離合器功能相同。 當(dāng)驅(qū)動桿處于右圖打開位置時，反向楔片組可以經(jīng)由選擇板上的窗口，在楔片下部壓縮彈簧的作用下抬起，進(jìn)而起到了對離合器內(nèi)外圈在反方向上的鎖止作用。由于正向楔片組也可以正常工作，可以實(shí)現(xiàn)離合器在正反兩個方向上的鎖止，此時的CMD離合器就相當(dāng)于一套處于接合狀態(tài)下的制動器。

CMD離合器在變速箱中的位置可以參見圖8中紅框處：

CMD離合器的驅(qū)動桿可以采用多種方式來驅(qū)動，常見的有電驅(qū)動式和液壓驅(qū)動式。電驅(qū)動式采用電機(jī)或電磁閥直接與驅(qū)動桿連接的方式，來使選擇板以一定的角度順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，來實(shí)現(xiàn)對CMD離合器不同模式的控制。見圖9：

液壓驅(qū)動是通過安裝在CMD離合器殼體上的一個液壓活塞來實(shí)現(xiàn)的，這種控制方式目前被廣泛應(yīng)用在福特的8速前驅(qū)自動變速箱以及通用的9速前驅(qū)自動變速箱中。圖10：

例如在通用的9速自動變速箱中，通過使用一個電磁閥來控制一個離合器選擇閥的位置。這個離合器選擇閥決定了高壓油從CMD離合器上液壓活塞的哪一個油路進(jìn)入。通過液壓活塞的軸向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對CMD離合器內(nèi)部選擇板的控制，使離合器可以依據(jù)期望的接合或分離模式工作。

CMD離合器最早由美國Means公司實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，目前已經(jīng)衍生出多種結(jié)構(gòu)，例如將楔片組由布置在離合器元件的端面方向上更改為元件的圓柱方向上的，也有通過更改楔片為楔塊結(jié)構(gòu)的，或者更改執(zhí)行器的實(shí)現(xiàn)方式。相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計也已經(jīng)由不同公司、機(jī)構(gòu)或個人申請國內(nèi)專利，代表性專利可以參見：
1. 單向離合器和同步器組件，申請人：通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司；
2. 可選單向離合器，申請人：通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司；
3. 雙重離合器組件，申請人：通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司；
CMD離合器由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，不僅在傳統(tǒng)自動變速箱中得到了廣泛的使用，還成為了電動車多檔化的核心零部件之一。例如GKN開發(fā)的電動車用第三代2檔電驅(qū)動橋中就使用了一個通過液壓控制的可選擇式單向離合器，如圖12中紅框處：



參考文獻(xiàn)（部分）：
https://www.meansindustries.com/technology/clutch-systems/cmd
https://drivetrain-symposium.world/de/worlds-1st-production-selectable-one-way-clutches-for-automatic-transmissions/
https://gearsmagazine.com/magazine/one-way-selectable-one-way-clutch-technology/
文章中引用數(shù)據(jù)和圖片來源網(wǎng)絡(luò)
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